[论文解读] The First 1 1/2 Years of TOTEM Roman Pot Operation at LHC

M. Deile, G. Antchev+24 more|Research Explorer (The University of Manchester)|Oct 26, 2011

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers被引用 4

一句话总结

本文报告了LHC上TOTEM罗马电位计系统在运行1.5年内的运行情况，详细介绍了其运动控制、位置联锁系统以及基于束流和软件的对准技术。该系统实现了亚微米级的电位计定位与对准精度，使弹性与边缘质子-质子散射在四动量转移低至10⁻³ GeV²时仍能实现精确测量。

ABSTRACT

Since the LHC running season 2010, the TOTEM Roman Pots (RPs) are fully operational and serve for collecting elastic and diffractive proton-proton scattering data. Like for other moveable devices approaching the high intensity LHC beams, a reliable and precise control of the RP position is critical to machine protection. After a review of the RP movement control and position interlock system, the crucial task of alignment will be discussed.

研究动机与目标

• 通过稳健的控制系统与联锁机制，确保在高强LHC束流附近移动罗马电位计的安全与精确运行。
• 实现罗马电位计的亚微米级定位精度，以支持对极前向质子散射的测量。
• 开发并验证基于束流与软件的对准技术，以实现粒子轨迹的精确重建。
• 通过将电位计系统与LHC束流联锁逻辑集成，实现机器保护。
• 利用冗余编码器与线性可变差动变压器（LVDT）系统进行校准与交叉验证位置测量。

提出的方法

• 采用源自LHC准直器系统的分层控制架构，用户界面位于CCC，中间层为基于FESA的监控器，底层为基于PXI的电机控制。
• 采用双重冗余位置测量：电机步进计数器（相对于OUT止动器的相对位置）与LVDT（绝对位置，带漂移修正）。
• 通过FPGA卡实现束流联锁逻辑，将电位计位置与与束流模式相关的临界限值进行比较，若位置不安全则强制执行束流束闸或提取。
• 通过主准直器刮擦束流环流，利用BLM信号识别出在10–250 μm步长下的束流边缘，实现基于束流的对准。
• 利用重建粒子事件的轨迹残差确定相对传感器的错位，垂直与水平探测器之间的重叠区域使单元级对准成为可能。
• 利用弹性散射分布的对称性约束，实现全局对准，精度优于10 μm。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在LHC束流附近安全且精确地控制TOTEM罗马电位计的运行？
• RQ2 双位置测量系统（编码器与LVDT）在保持电位计精确定位方面的性能如何？
• RQ3 束流联锁逻辑在检测到电位计处于不安全位置时，阻止束流注入或自动触发提取的有效性如何？
• RQ4 基于束流与软件的对准技术可实现的对准精度是多少？
• RQ5 弹性散射分布的对称性在多大程度上可约束电位计站的全局对准？

主要发现

• 电位计运动控制系统在1.5年LHC运行期间成功实现了精确且安全的运行，每步电机定位控制精度达5 μm。
• 束流联锁系统在位置限值被违反时正确触发了自动电位计回缩，该结果在联锁测试序列中得到验证。
• 基于束流的对准实现了10–250 μm的精度，后期优化至10 μm步长，能够精确确定电位计相对于束流边缘的位置。
• 基于轨迹残差的软件对准技术有效约束了相对传感器的错位，全局对准精度水平方向优于10 μm，垂直方向优于20 μm。
• 基于对称性的弹性散射打点分布对准方法可精确确定束流中心位置，束流中心位置确定精度达约10 μm。
• LVDT测量提供了可靠的绝对位置数据，但存在微小漂移，需定期重新校准。